Содержание:

1. Вступление

2. Квантовый компьютер

3. Нанотехнологии

4. Компьютеры на основе ДНК

5. Искусственный интеллект

6. Заключение

В одном из интервью вскоре после получения Нобелевской премии Жорес Алферов[1] сказал: «Мне по-своему жаль новое поколение. Ведь, если разобраться, уже все открыто. Так что в новом веке вам будет делать нечего — так, частностями заниматься».

От этих слов одного из отцов современной полупроводниковой электроники становится немного жутко. Значит, предел уже положен и стена темнеет на горизонте? Через пару десятков лет прогресс человечества будет навсегда остановлен одним из незыблемых постулатов Вселенной. «Как навсегда? — спросите вы. — Пройдет сто лет, тысяча, и принципиально ничего не изменится? Ну нет! Не может такого быть!» Однако, как это ни грустно, там, где действительно достигнем физических пределов, мы не сможем продвинуться дальше ни на шаг. Мы бессильны перед законами природы, никакие наши приборы и опыты, молитвы и приказы не заставят их отступить ни на йоту. Уже в ближайшие годы святейшая догма мира высоких технологий — закон Мура. В 1965 г соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральных схемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный законом Мура, был скорректирован на 18 месяцев. В течение трех последних десятилетий закон Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотность транзисторов, но и производительность микропроцессоров удваивается каждые полтора года (об удвоении плотности транзисторов в процессорах каждые полтора года) станет просто занимательным историческим фактом. Полупроводниковые технологии отживают свое — сейчас очевидно, что частоту в 30—40 ГГц они не перешагнут никогда. Бешеная гонка за тактовой частотой заставит нас научиться считать на атомах и молекулах — это и станет концом эволюции нашей цивилизации. Современная физика жестко и однозначно говорит, что путешествовать к звездам или перемещаться в пространстве с помощью телепортации мы никогда не сможем, если в доступной нам части реальности мы и в самом деле уже открыли абсолютно все.

Но у нас есть повод оставаться оптимистами: ведь ни один закон и постулат не запрещают появление принципиально нового знания! Так, в 1894 г. знаменитый физик Альберт А. Майкельсон[2] (экспериментально доказавший отсутствие эфира) писал: «Наиболее важные фундаментальные законы и факты физической науки открыты, и они сейчас установлены так твердо, что возможность их когда-нибудь заменить чем-то новым вследствие новых открытий крайне мала . Наши будущие открытия нужно искать в шестом знаке после запятой». Не правда ли, напоминает слова Ж. Алферова? Но буквально через год Рентген открыл пронизывающие материю лучи, через два — Беккерель обнаружил явление радиоактивности, через три — Томпсон ввел понятие электрона. Первые 30 лет XX в. принесли теорию относительности Эйнштейна, открытие атомного ядра Резерфордом, квантовую теорию и доказательство расширения Вселенной. Майкельсон умер в 1931 г., так что он еще успел поразиться столь быстрому изменению взглядов на мир. В 1894 г. мы знали все, в 1931-м — почти ничего . Не ждут ли нас в начале XXI в. столь же блестящие откровения природы, как и сто лет назад?

В свое время люди верили, что самолет никогда не сможет преодолеть звуковой барьер, так как это должно его разрушить. Но октябрьским утром 1947 г. мир впервые услышал столь привычный сейчас любому летчику хлопок — Чак Инджер на экспериментальном истребителе сумел обогнать звук. Скромного калужского учителя физики Циолковского, разработавшего в начале века проект полета в космос с помощью реактивного двигателя, все считали в лучшем случае наивным мечтателем (а чаще просто сумасшедшим). Но прошло всего полвека, и первые ракеты взмыли в небо, доказав, что скепсис в отношении творческих возможностей человечества совершенно неуместен.

В этом реферате мне хотелось бы описать те перспективы, которые открывает перед нами дальнейшее развитие технологии на имеющейся теоретической базе. Из множества футуристических направлений я опишу всего несколько, но наиболее многообещающих и интересных. Мы увидим, каким ярким и необычным может оказаться наше будущее даже с учетом все тех же объективных пределов. И не стоит это воспринимать просто как занимательную сказку: сравните наши достижения в начале XIX и XX вв. — вы поймете, что самые смелые прогнозы (если они не противоречат фундаментальным законам природы) рано или поздно становятся реальностью.

Квантовый компьютер

В 1982 г. Ричард Фейнман [3](лауреат Нобелевской премии 1965 г. за работы по квантовой электродинамике) опубликовал статью, в которой поднял очень важную, ранее обойденную вниманием ученых проблему. Прогресс человеческой цивилизации второй половины XX в. целиком связан с успехами в области электроники. С каждым годом процессоры в компьютерах становятся все производительнее (так, плата современных наручных часов является куда более мощным вычислительным устройством, чем созданный в 1946 г. 30-тонный ламповый «Эниак»), а их структурные элементы — меньше. Но до каких пор сможет продолжаться эта начатая более полувека назад гонка? Пока теоретическим пределом является передача бита информации при помощи одного электрона, локализованного на одном атоме. Это позволит увеличить тактовую частоту примерно до терагерца (или тысячи гигагерц) — в общем, весьма неплохая перспектива. Однако специалисты, приводящие подобные цифры, не учитывают одного факта. Преодолев порог миниатюризации в десяток нанометров (сейчас выпускаются процессоры по 130-нанометровой технологии), мы попадем в необычный, совершенно непохожий на наш, мир квантовых законов.

Особенностью квантовой реальности является ее принципиальная нелокальность и неопределенность: классический бит наших компьютеров, будучи представлен на квантовом уровне одним электроном, как бы «размажется», оказываясь одновременно в двух состояниях, к которым можно применить только вероятностный подход, но нельзя однозначно утверждать, что данная единица информации равна 0 или 1. Если говорить корректнее, то описывающая на квантовом уровне электрон волновая функция, согласно принципу суперпозиции, представляет собой линейную комбинацию всех его состояний (точнее — собственных функций), соответствующих классическому биту. Следовательно, используемые сейчас вычислительные схемы неизбежно перестают работать. Описанное явление, называемое квантовым шумом, представляет собой объективную преграду для дальнейшего развития полупроводниковых технологий (экстраполяция закона Мура показывает, что предел наступит уже в ближайшие 10 лет). Таким образом, тактовая частота в 1 ТГц для традиционной электроники абсолютно недостижима .

Однако выход из тупика имеется, причем обеспеченный именно тем, из-за чего мы в нем оказались, — квантовой природой вещества. Исторический призыв Ричарда Фейнмана ответить на вопрос, какие преимущества могут дать вычислительные системы на квантовых элементах, привлек в эту область множество талантливых ученых, что обеспечило ее быстрый прогресс. На сегодняшний день для построения квантового компьютера сделано так много, что можно смело прогнозировать начало его промышленного выпуска уже в первой четверти наступившего века.